Evoluzione delle reti Wireless. Alberto Vetuli

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1 Evoluzione delle reti Wireless Alberto Vetuli

2 EVOLUZIONE DELLE RETI WIRELESS INDOOR E OUTDOOR LTE WiMAX WSN WiFi LTE WiMax

3 COPERTURA CATEGORIE DI RETI WIRELESS NELLE TELECOMUNICAZIONI WSN MOBILITA WiMax m HSDPA HSUPA HSPA LTE 8-9 Advanced LTE 10 DATA RATE 4G: DL: 1 Gbps DL: 0,5 Gbps Mobilità 100 Mbps Efficienza di Spettro: 15 bit/sec/hertz (MIMO 4 X 4) 4G

4 BANDA DL UL GSM UMTS CORE GSM IMT Extension (Paired) IMT Extension (Unpaired)

5 (800, 1800, 2000 e 2600)

6 ASTA PUBBLICA DELL AGCOM (255 MHz di banda) PER LTE Il 30 Settembre 2011 si è conclusa l asta pubblica tra tutti gli Operatori Mobili interessati alla acquisizione di frequenze nella gamma di 800, 1800, 2000 e 2600 MHz messe a disposizione per sistemi mobili a larga banda. E stato previsto il refarming della gamma di 1800 MHz Assegnazione delle frequenze Proroga delle licenze di 900 e 2100 MHz Obblighi in termini di «digital divide» agli aggiudicatari delle bande più pregiate a 800 Mhz. Canali UHF occupati fino al 2013 dalle TV locali (Piano RAI digitale terrestre ultimato a fine 2012) TIPOLOGIA DI LOTTO DUPLEX BLOCK SIZE LOTTI TELECOM ITALIA VODA PHONE WIND 3 ITALIA TOTALE ENTRATE Mil - Euro 800_S S FDD 2 X , _G G FDD 2 X , _G G FDD 2 X , _A S TDD 1 X _B S TDD 1 X , _C S TDD 1 X , _G G FDD 2 X , _S S FDD 2 X ,820 TOTALE 255 MHz 60 MHz 60 MHz 60 MHz 60 MHz 3.945,295 G=GENERICO S=SPECIFICO

7 MIGLIORA LA TOLLERANZA ALL NLOS E DELAY SPREAD OFDM - OFDMA MIGLIORA LA EFFICIENZA DI SPETTRO AAS - MIMO AIR INTERFACE AIR INTERFACE PROVVEDE ALLA CORREZIONE DI ERRORI EVITANDO LA RITRASMISSIONE DELLE FRAMES HARQ CHASE COMBINING HARQ INCREMENTAL REDUNDANCY X Y FORWARD ERROR CORRECTION

8 AREA METROPOLITANA IL FENOMENO DEL MULTIPATH INDOOR (Delay Spread Max 300 nsec) UFFICIO OUTDOOR IN MOBILITA OUTDOOR METROPOLITANO (Delay Spread Max 5 μsec) MOBILITA

9 SISTEMI DI ANTENNA MIMO: SPATIAL DIVERSITY E SPATIAL MULTIPLEXING Xmitter MATRIX A Basato su algoritmo di Alamouti Tx Rx1 Rx2 Switched Receive Diversity Rx Xmitter Tx1 Tx2 Tx Rx2 Rx1 Rx1 Rx2 Maximum Ratio Combining Diversity Rx Gain: + 3 dbm Signal Processor Phase Shifter Signal Processor Phase Shifter Receiver Attenuator Attenuator Spatial Diversity: (Tx Rx diversity) Space Time Coding MATRIX B Basato su Algoritmo di Foschini SPLITTER Tx1 Rx1 JOINER Tx2 Rx2 Spatial Multiplexing: Trasmissione di Spatial Data Stream simultanei su una stessa frequenza

10 SISTEMI DI ANTENNA ADATTATIVI - BEAMFORMING (CLOSED LOOP) BS è a conoscenza della qualità del segnale ricevuto da ogni singola stazione top view (horizontal) Interference 1 user 1 user 2 Interference 2 Adaptive array NOTA: MIMO E BEAMFORMING SONO MUTUAMENTE ESCLUSIVI

11 VOICE BASED MOBILE NETWORKS EVOLUTION SIAMO QUI GSM UMTS LTE (R8) LTE (R9) GPRS HSDPA (R5) HSPA (R6) LTE Advanced (R10) EDGE HSUPA (R6) HSPA+ (R7) LA CORSA VERSO LA 4G RETI 3G in ITALIA GHz Max Potenza trasmessa Emax: 6 V/m METROPOLITAN AREA NETWORKS EVOLUTION SIAMO QUI ( ) WiMAX in ITALIA 3.4 a 3.6 GHz Max Potenza trasmessa In Italia: 36 dbm 4 W ETSI: 43 dbm Xmt 20 W

12 2048 SC Multi Accesso OFDM vs OFDMA

13 Riuso Frazionale dei canali e delle bande di frequenze CELLE CIRCOLARI CELLE SETTORIZZATE FRACTIONAL FREQUENCY REUSE

14 HANDOVER: di tipo Hard e Soft SUPPORTA LA MOBILITA HANDOVER di Livello 2 (BS sotto lo stesso ASN GW) di Livello 3 (Tramite Mobile IP) E IMPIEGABILE NELLA BANDA NON LICENZIATA DI 5 GHz Banda: Capacità con MIMO A: Mbps Capacità con MIMO B: Mbps Antenna integrata con 1 o 2 settori Antenna esterna 1024 Subcarrier

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16 3G LTE ELEMENTI CHIAVE DELLA AIR INTERFACE Flessibilità di spettro Duplexing TDD-FDD 1,25 2,5 5,0 10,0 20,0 Velocità di picco DL: Mbps (canale da 20 MHz) UL: Mbps Configurazioni di antenna supportate DL: 4X2-2X2-1X2-1X1 UL: 1X2-1X1 Efficienza di spettro DL: da 3 a 4 volte l HSDPA Rel. 6 UL: 2 a 3 volte HSUPA Rel. 6 Latenza < msec (U-plane a U-plane) <10 msec (U-plane to server) Mobilità per basse velocità (<15 km/hr) elevate prestazioni a velocità fino a 120 km/hr mantiene il collegamento a velocità fino a 350 km/hr Copertura Prestazioni massime fino a 5 km Leggero degrado tra i 5 km ed i 30 km Il funzionamento fino a 100 km non è precluso dallo standard. Soluzioni di sistemi avanzati di antenna Diversity Beam-forming Multi-layer transmission (MIMO) Nuovo sistema di accesso radio Downlink: OFDM Uplink: SC-FDMA FDD Banda Scalabile TDD MIMO - Beamforming DL: OFDMA UL: SC FDMA

17 Gestione RF Misure radio Selezione MME CAC - Cifratura LTE NETWORK REFERENCE MODEL Accesso Autenticazione Chiavi sicurezza Selezione S-GW Mobility Mgt Entity Home Subscriber Server Base Dati Utenze Restrizioni roaming Policies & Charging Rules Function Criteri di roaming Classi di servizio Interfaccia IMS Apps Evolved Packet Core SGW Routing e Forwarding tra enodeb e PDN GW Anchor Point UE PGW UE IP address assign Anchor Point per reti esterne Default router-gw IL RESOURCE BLOCK COME UNITA ELEMENTARE DI BANDA E DI TEMPO DELL LTE One Resource Element: QPSK: 2 bits 16 QAM: 4 bits 64QAM: 6 bits One Resource Block: 180 KHz X 0,5 msec.

18 Soluzione provvisoria per gli Operatori Mobili per voce SMS ed MMS LA CRITICITA DEI SERVIZI VOCE ED SMS-MMS I Servizi Voce SMS ed MMS dovranno essere trasferiti sulla rete Full IP (MMTel VoIP su IMS). I servizi voce sono disponibili su Internet - OTT (Skype Google ed altri Operatori VoIP). E ipotizzabile l impiego di telefoni multibanda per fare voce-sms in 3G ed accesso Internet in LTE. ISC INTERFACE VISITED NETWORK SKYPE Google Over the Top M O B I L E F I S S O BS BS DSLAM enodeb LTE enodeb ASN GW BAS WiMAX ADSL NGN - PON A GW VOICE GW A GW LTE LTE LTE RETE IP SIP PROXY LTE VOLTE - MMTel Provider SIP GATEWAY VOLGA VANC CIRCUIT SWITCHING NETWORKS PSTN IP Multimedia Subsystem WiFi

19 Scenario Fisso Mobile con IP Multimedia Subsystem (IMS) Indipendenza dalla tecnologia di accesso Servizi VoIP basati sul protocollo SIP Presence Server - Unified Messaging Enhanced Voice Mail - Interactive Voice Response (IVR) Instant Messaging Web/Audio/Video Conferencing Full Duplex Video Telephony Converged Push-To-Talk over Cellular (Converged PoC) Audio and Video streaming ISC INTERFACE VISITED NETWORK HSS I-BCF VIDEO SERVER M O B I L E F I S S O BS BS DSLAM enodeb LTE enodeb ASN GW BAS WiMAX ADSL NGN - PON A GW A GW SIP PROXY RETE IP SIP PROXY I-CSCF P-CSCF SIP GATEWAY S-CSCF IP Multimedia Subsystem MMTEL CIRCUIT SWITCHING NETWORKS PSTN APPLICATION SERVER SIP SERVER WiFi

20 LTE Multiple Operator Core Network (CONDIVISIONE DELLA INFRASTRUTTURA DA PIU OPERATORI MOBILI) MOCN Supporto VLAN Una o più VLAN dedicate per ogni Operatore DHCP Istanze multiple On Operator Basis Radio Bandwidth Backhaule Bandwidth Core Service Network 1 Core Service Network 2 Core Service Network 3 PLMN ID1 PLMN ID2 PLMN ID3 ACCESS NETWORK SERVICE PROVIDER enodeb Core Service Network 4 PLMN ID4 Multiple Public Land Network Provider Mobile User Equipments

21 LTE MIMO SCENARIOS Single-user MIMO Multi-user MIMO Collaborative MIMO Channel 1 User 1 Channel 1 User 1 Data 1 Data 1 Data 2 BS Channel 2 Data 2 BS Channel 2 Data 3 User 2 Data 3 User 2 Channel 3 Channel 3 1 BS 1 UE MULTIPLE DL STREAMS ALLO STESSO UE User 3 1 BS MOLTI UE MULTIPLE DL STREAMS VERSO UE MULTIPLI User 3 MULTI DL STREAMS DA PIU BS ALLO STESSO UE BANDWIDTH AGGREGATION

22 COLLABORATIVE MIMO MULTIHOP RELAY - FEMTOCELL MULTI STREAMS DA PIU BS ALLO STESSO UE 1 BS MOLTI UE MULTIPLE STREAMS VERSO UE MULTIPLI Supporto del Roaming - Plug and Play Potenza impostata automaticamente Connessa al gateway centrale via Internet ADSL-NGN INCREMENTO DEI PUNTI BS-RS DI CIRCA 16 VOLTE RISPETTO ALLA SITUAZIONE ATTUALE MBMS MULTICAST - BROADCAST MBFSN AREAS 20 canali TV a velocità di 256 kbps in un canale a 5 MHz.

23 SELF ORGANIZING NETWORK SISTEMA DI RADIOLOCALIZZAZIONE OTDOA - AOA Observed Time Difference of Arrival - Angle Of Arrival PUBLIC WARNING SYSTEM Early Warning System della Protezione Civile 1 Sistema di rilevazione 2 Informazioni generali su area riservata UE 3 Misure di sicurezza su area riservata UE

24 Coordinated MultiPoint Transmission/Reception Dual Layer Beamforming Dual Layer Beamforming

25 LA NGAN COME RETE DI BACKHAULING PER LE RETI MOBILI NGMN SPLITTER OTTICO SPLITTER OTTICO FIBER SPLITTER OTTICO SPLITTER OTTICO PUNTO DI DIRAMAZIONE RETI OTTICHE PASSIVE Le NGN in F.O. provvederanno al backhauling per le celle delle reti mobili 4G. NGAN è un forte driver per le NGMN. 4G Richiede una densità di celle maggiore di volte rispetto alle reti 3G attuali.

26 LTE SMARTPHONES VARIE CLASSI/CATEGORIE CATEGORIA PEAK RATE Mbps RF BANDWIDTH DL UL CAPABILITIES FOR PHYSICAL FUNCTIONALITIES 20 MHz (100) UL: 4 X 10 2 X 20 UL: 4 X 10 2 X DL QPSK, 16QAM, 64QAM MODULATION UL QPSK, 16QAM QPSK 16QAM 64QAM MULTI-ANTENNA 2 x Rx DIVERSITY Assumed in Performance Requirement 2 x 2 MIMO Mandatory Not Supported 4 x 4 MIMO Not Supported Mandatory 8 X 4 Samsung SCH-i510 - HTC ThunderBolt Motorola Atrix - Samsung Galaxy II

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28 RISPARMIO ENERGETICO TELE MEDICINA FITNESS AUTOMAZIONE OSPEDALE BUILDING AUTOMATION AGRICOLTURA ANTINCENDIO TRASPORTI INQUINAMENTO TELEMETRIA

29 REAL TIME SMART BUILDING MANAGEMENT P Parking Garden

30 IMPIEGO DELLO STANDARD WiFi Intel Centrino Ultimate N-6300 INDOOR OUTDOOR

31 Throughput aggregato di una cella BANDA 2.4 GHz: b/g n Max 3 X AP nella stessa area su canali diversi BANDA 5 GHz: a n Max 8 X AP nella stessa area su canali diversi Stesso SSID Stesso SSID Throughput totale nella stessa area b: 33 Mbps (3 X 11) g: 162 Mbps (3 X 54) n: 324 Mbps (3 X 108) Throughput totale nella stessa area a: 432 Mbps (8 X 54) n: 864 Mbps (8 X 108) I throughput della banda di 2.4 GHz e 5 GHz sono cumulabili assumendo che siano presenti stazioni Client in grado di operare su entrambe le bande.

32 EVOLUZIONE MODELLO WIRELESS AP DA UNO A DUE LIVELLI CON WIRELESS CONTROLLER Gestione LWAPP o CAPWAP Gestione Beacon e Probe Response Fragmentation Defragmentation Power Management Packet Buffering e/WMM Scheduling Queuing MAC Layer Encryption/Decryption Analisi Spettro RF disponibile LIGHTWEIGHT ACCESS POINT 1 LWAPP Discovery Gestione Risorse RF (Assegnazione Canali) Gestione Mobilità Fast Secure Roaming Gestione Sicurezza EAP 802.1X Gestione Chiavi Quality of Service Configurazione centralizzata Aggiornamento microcode e SW Associazione Disassociazione Riassociazione Integrazione servizi Wireless Wired Mobile IP Proxy Mobile IP per Layer 3 roaming Gestione LWAPP o CAPWAP VLAN Management Client Localization CAPWAP WIRELESS LAN CONTROLLER 1 WIRELESS MANAGER LIGHTWEIGHT ACCESS POINT 2 INTERNET ANALISI IN REAL TIME DI: SPETTRO RF COPERTURA AREA CANALI ASSEGNATI AP INDESIDERATI PREVENZIONE INTRUSIONI LOCALIZZAZIONE DEL CLIENT LIGHTWEIGHT ACCESS POINT 3 LIGHTWEIGHT LIGHTWEIGHT ACCESS ACCESS POINT POINT n 4 VRRP HSRP WIRELESS LAN CONTROLLER 2 LOCATION APPLIANCE DHCP CAPWAP CAPWAP TUNNEL

33 VLAN - Supporto VoIP SU RETI WiFi Certificazione WMM - Copertura senza zone d ombra con sovrapposizione delle aree coperte da microcelle adiacenti; - VLAN dedicata con QoS predisposto e configurato per traffico Real Time; - Apparati con certificazione WiFi e - WMM per la gestione efficiente della QoS; r Fast Roaming Fast Authentication possibilmente con Wireless controller centralizzato. Supporto VLAN (multiple SSID) Consente ad ogni singola rete virtuale WLAN di gestire tipologie differenti di dispositivi con diversi livelli di sicurezza e QoS. E possibile supportare fino a 16 VLAN indipendenti. CAPWAP 802.1Q wired network w/ VLANs AP Channel: 6 SSID laptop = VLAN 1 SSID pda = VLAN 2 SSID phone = VLAN 3 WIRELESS CONTROLLER RETE IP RADIUS VLAN 1 SSID: laptop Security: PEAP + AES VLAN 2 SSID: pda Security: LEAP + TKIP VLAN3 10 Chiamate contemporanee 100 Conversazioni contemporanee SSID: IP phone Security: LEAP + WEP

34 Lo Standard n e l incremento di prestazioni per il MultiMedia. Tempo per il Download di uno Show TV da 30-minute in HD

35 LO SVILUPPO DELLO STANDARD ac nella banda di 5 GHz. Estensione ampiezza di banda: 80 MHz e 160 MHz (Max 40 MHz nell n); Ampiezza di banda di 80 MHz per le stazioni di lavoro; Supporto di 8 Spatial Streams (Max 4 nell n) Impiega la modulazione OFDM; Supporto di Downlink Multi-user MIMO (Single-user Mimo nell n); Supporto della modulazione 256-QAM (8 bit/simbolo) come possibilità opzionale; Correzione di errori con Code Rate ¾ e 5/6 per 256 QAM; Beamforming opzionale; Meccanismi di coesistenza per bande di 20/40/80/160 su ac, a ed n; Disponibilità sul mercato intorno alla metà del Sviluppi dell IEEE ad (da WiGig) Target Speed: 7 Gbps; Banda non licenziata di 60 GHz; Ampiezza di banda maggiore dell ac; Distanze limitate: da 1a 10 metri; Applicazioni: Multimedia HD e Gigabit LAN; Antenne: sistemi attivi e beamforming ; La tecnologia si presenta complessa; Elevata complessità tecnologica e costi.

36 MP MP MAP Gateway 1 MP MP MAP Gateway 2 STANDARD S INTERNET MP: Mesh Point MAP: Mesh Access Point

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